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(1)MIM简介:金属粉末注射成形(Metal Injection Molding)是将现代塑料注射成形技术引入粉末冶金领域,集合了塑料成形工艺学、高分子化学、粉末冶金工艺学和金属材料学等多学科而成的一种零部件新型“近净成形”技术。它可以利用模具注射成形坯件,并通过烧结快速制造高精度、高密度、三维复杂形状的结构零件,能够快速、准确地将设计思想物化为具有一定结构、功能特性的制品,并可直接进行大批量生产。MIM技术结合了塑料注射成形和粉末冶金等方法的技术优点,不仅具有常规粉末冶金工艺工序少、无切削或少切削、经济效益高等优点,同时,克服了传统粉末冶金工艺制品材质不均匀、力学性能低、薄壁不易成形及结构复杂的主要缺点,适用于大批量生产小型、精密、三维形状复杂以及具有特殊要求的金属零部件的制造。
MIM工艺已成为国际粉末冶金领域发展迅速、富有前景的一种新型“近净成形”技术,被业界誉为当今“最热门的零部件成形技术”。MIM技术在全球10大先进制造技术中排名第二。
(2)MIM与PM、PIM的关系:粉末冶金(Powder Metal lurgy,简称PM)是制取金属粉末或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料,经过成形和烧浇,制取金属材料、复合材料以及各种类型制品的工业技术。粉末冶金具有独特的化学组成和机械、物理性能,运用粉末冶金技术可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品,如含油轴承、齿轮、凸轮、导杆、刀具等,是一种少无切削工艺。粉末冶金主要包括四大工艺:传统法、金属粉末注射成形(MIM)、金属增材制造(MAM)、等静压(IP)。粉末注射成形(Powder Injection Molding,简称PIM)是一种新的金属、陶瓷零部件制备技术。它是将聚合物注射成形技术引入粉末材料成形领域而生成的一种全新零部件加工技术。该技术应用塑料工业中注射成形的原理,将金属、陶瓷粉末和聚合物粘结剂混炼成均匀的具有粘塑性的流体,经注射机注入模具成形再脱除粘结剂后烧结全致密化而制得各种零部件。根据粉末注射成形过程中原料粉末的不同可以将其分为两大类,一类是陶瓷粉末注射成形技术(Ceramic Injection Molding,简称CIM),另一类就是金属粉末注射成形技术(简称MIM)。由此可见,金属粉末注射成形(MIM),属于粉末冶金(PM)的一个工艺类型,又属于粉末注射成形(PIM)的一个分类。
(3)MIM的技术优势:传统金属加工技术如冷镦、锻压、冲压适合用于加工二维、零件结构简单的产品,对于三维、复杂形状产品的加工,存在一定的难度。CNC技术无需模具设计制作,自由度及加工精度颇高,但材料浪费严重,且在加工超小件、三维造型复杂的零件方面耗时长、产量低、成本高。
相比之下,MIM技术近净成形,几乎无废料,可以用于大批量生产三维形状、复杂结构、精密尺寸的金属产品,设计自由度高,这也是MIM技术和其他金属加工技术相比较的优势所在。
MIM的技术优势
相较于其他的金属成形方式,MIM工艺的优势具体体现如下:
序号 |
优势 |
具体表现 |
1 |
极高的设计自由度 |
MIM工艺能够像塑胶注塑成形一样将复杂的金属零件直接成形,允许三维形状的自由设计,理论上塑胶可以实现的结构都可通过MIM工艺实现。 |
2 |
出色的理化性能 |
MIM产品组织均匀、致密度好,烧结密度可达到理论密度的98%以上,甚至接近于理论密度,其理化性能表现非常出色,产品强度、硬度、延伸率等力学性能超过传统粉末冶金。 |
3 |
更高的尺寸精度 |
MIM产品一次成形尺寸精度可达+/-0.3%,一般精度要求的产品无需后加工;如配合其他加工方式,可以获得更高的尺寸精度。 |
4 |
更多的材料选择 |
MIM工艺几乎可使用绝大部分金属材料,特别适用于对材料性能较高的应用场景。考虑到经济性,主要的应用材料涵盖铁基、镍基、铜基、钛基金属或合金。 |
5 |
精致的外观表现 |
MIM工艺的烧结坯表面粗糙度(Ra)可做到1μm,更可以通过各种表面处理方式获得炫目的外观效果。 |
6 |
灵活的量产能力 |
MIM工艺可以灵活调整和迅速提升产量,从每天几百件到每天数十万件都可以快速响应。 |
7 |
极高的原料利用率 |
MIM工艺原料利用率接近100%,是一种近净成形技术,可有效避免材料的浪费。 |
8 |
显著的批量成本优势 |
MIM工艺近净成形,相较于其他工艺,特别是结构复杂产品,利用MIM工艺批量生产成本优势明显。 |
对于复杂的零件,传统金属成形通常是先分解并制作出单个零件再组装,MIM工艺通过整体加工、简化加工程序,经济性更强。而且,传统金属成形成本随着零件复杂程度上升而上升,MIM工艺通过提升模具复杂程度保持成本不变,产品复杂程度越高,MIM工艺经济性更强,成本优势更明显。
MIM与其他生产技术成本比较分析
(4)中国MIM市场整体发展现状:随着MIM工艺技术的逐步成熟,以及对MIM技术认知程度的进一步加深,MIM产品在电子产品、汽车、医疗、五金、机械等领域的应用逐步增多,自2012年开始,我国MIM行业开始飞速发展,市场规模也不断扩大。据中金企信国际咨询公布的《2021-2027年中国金属粉末注射成形(MIM)市场分析及发展策略研究预测报告》统计数据显示:2018年国内MIM市场规模达57亿元,与2017年相比增长5.6%;2019年国内MIM市场规模增加至67亿元,与2018年相比增长17.5%。预测2025年MIM市场规模将达到121.9亿元。
2011-2020年中国MIM市场规模现状分析
数据统计:中金企信国际咨询
从下游应用来看,中国MIM的市场应用与欧美市场存在较大差异,主要分布在消费电子领域,手机继续保持着最大份额,占比为59.10%;智能穿戴设备占比有所增加,为8.10%,汽车及五金类产品保持不变,电脑及医疗类产品则略有下降。中金企信国际咨询专业编制《金属粉末注射成形(MIM)项目可行性研究报告》为企业投融资、项目立项、银行贷款申请、批地申请等提供专业化优质服务。
2019年中国MIM市场按应用划分规模比重分析
数据统计:中金企信国际咨询
截至2019年,全国(不包括台湾地区)共有金属注射成形生产企业及车间200余家,其中珠三角地区最多,达到约110家;长三角地区其次,达55家;京津冀及山东地区约20家;湖南、江西、安徽及福建14家;河南、川渝及其它地区5家。
从行业竞争格局来看,按照业务规模可将行业内MIM企业分为三个竞争梯队:第一梯队的MIM企业收入规模在2亿元以上,具有较强的研发创新能力,主要客户为国际品牌或国内知名品牌企业,主要包括印度Indo-MIM、中南昶联、台湾晟铭电子、精研科技、富驰高科、泛海统联、全亿大等;第二梯队的MIM企业收入规模在5,000万元至2亿元,竞争实力弱于第一梯队,主要为国内品牌企业配套生产MIM零部件产品,客户集中度往往较高;第三梯队的MIM企业收入规模在5,000万元以下,通常企业的整体技术研发能力较弱,仅通过设备的购置和人员的铺设进行中小批量的MIM产品生产。截至2019年,我国大陆MIM生产企业及车间200余家,其中营收超过2亿元的企业数量不超过10家。泛海统联经过三年多的发展,即已成功跻身MIM行业的第一梯队。
3、MIM行业发展趋势:为实现MIM产品的进一步推广,行业内企业需要根据各领域需求对行业前沿技术进行研究开发,以扩大MIM产品在更多领域的适用性,MIM行业的发展将呈现以下趋势:
(1)材料体系的多元化发展:现阶段,中国MIM产品多以不锈钢及铁基合金粉末为原材料,产品广泛应用于消费电子等领域。随着下游领域对材料多元化及产品轻量化等差异化需求的不断提升,现有不锈钢及铁基合金产品已无法完全适应市场需求。因此,行业内企业需要追随市场对其他材料MIM产品的多元化需求,不断丰富MIM产品材料体系,进一步推动行业技术进步及规模增长。
目前,MIM行业新材料的研发主要以高强和耐蚀兼顾的双相不锈钢、高强和高导热率兼顾的铜合金以及高比强和生物兼容性兼顾的钛合金等材料为重点,应用则向着汽车、医疗、五金等高端领域方向发展。
(2)技术工艺的复杂化发展:虽然中国MIM技术已经接近国际先进水平,但受制于技术工艺的特性,在部分领域仍无法规模化应用MIM技术,仍存在较大技术发展空间。因此,微粉末注射成形、超大件注射成形及共注射成形等技术工艺将成为行业的重要发展方向。微粉末注射成形将促使MIM产品向更小更精细的方向发展;超大件注射成形通过减少粘结剂用量增大产品尺寸,推动超大尺寸MIM产品的应用及普及;共注射成形能够将磁性材料与非磁性材料、硬质材料与软质材料、导电材料与绝缘材料有机结合,从而有效提升MIM产品适用性。
(3)喂料制备的自主化发展:喂料是指将一定金属粉末和粘结剂在一定的温度下按照一定比例进行均匀混合,以得到适合用于注射成形的粉末和粘结剂混合物。均匀喂料的制备是获取高精度粉末注射成形产品的关键,如果喂料混合不均匀,粘结剂将在脱脂过程中产生变形以及烧结收缩不均匀等缺陷,从而增加最终烧结体的尺寸偏差。因此,喂料的制备情况对MIM产品的精度起到了决定性作用。
现阶段行业内企业的喂料以外部采购为主,定制化喂料制备往往成为其技术发展的短板。随着MIM产品应用的日益广泛,更多高复杂度、高精度、高密度、外观精美的MIM产品需求也不断涌现,企业更加需要根据客户高度定制化的产品需求来制备不同配比的喂料,从而为客户提供符合其需求的MIM产品。现阶段,少数MIM企业已经具备自主制备喂料的能力,随着MIM产品应用的日益广泛,未来企业的喂料自主化将成为趋势。
(4)制造过程的自动化发展:在下游行业消费电子、汽车、医疗、五金工具、机械仪器等行业发展速度日新月异的背景下,对精密金属零部件的微型化、高尺寸精度以及行业内企业的快速市场响应能力的要求越发提高。单纯依靠人工已经无法满足行业极精密加工、极低的不良品率、快速市场响应的要求,提高制造过程的自动化智能化水平可以明显减少由于人为因素产生的尺寸公差与不良品,可以极大地提高生产效率、加快市场反应速度。近年来,行业内企业对自动化智能化生产设备与检测设备的需求越来越大,自动化智能化程度快速提升。
(5)下游应用的多元化发展:随着我国MIM行业的深入发展,各MIM企业不断深化自身技术创新能力,以抢占更多的市场份额。目前,在我国MIM行业中,部分企业已经具备较强的技术创新实力,通过对行业前沿技术的持续研究,推动MIM产品性能日益提升,并能够适用于更多的下游产品。例如超薄、高精度MIM产品的研发,符合消费电子产品轻薄、便携的发展趋势;再例如,通过喂料及模具的研究和开发,进一步提升MIM产品高复杂度、高精度、高强度、外观精美等特性,促使MIM产品在汽车制造及医疗器械等多元领域的推广应用。